Ученые из Дубны получили точную «кардиограмму» Земли
Материал подготовлен Дубненским ИА>>
Разрушительное землетрясение, произошедшее в Непале в минувшие выходные, унесшее жизни более 3,7 тысяч человек, не считая еще 6,5 тысяч пострадавших, показало, насколько человек может быть беспомощен перед стихией. Но наука не стоит на месте - ученые из наукограда Дубна в Подмосковье запатентовали уникальный прибор, позволяющий зафиксировать малейшие колебания поверхности Земли – инклинометр. Корреспондент Дубненского информагентства узнал, как работает изобретение дубненских физиков и в каких областях его можно использовать.
Как подмосковные физики строят гигантский телескоп на Байкале>>
Сверхчувствительный прибор
В начале 2014 года дубненские ученые – профессор Юлиан Будагов и кандидат физико-математических наук Михаил Ляблин из Лаборатории ядерных проблем Объединенного института ядерных исследований (ЛЯП ОИЯИ) в Дубне получили российский патент на лазерный прецизионный инклинометр – устройство для измерения угла наклона.
Инклинометр измеряет угловые колебания земной поверхности с точностью до одной десятой нанорадиана. Этот уникальный прибор может применяться в метрологии, геодезии, сейсмографии, в космической отрасли и других.
«Аналогичные приборы сейчас выпускаются промышленностью, но достоинство дубненского устройства в том, что он, по последним данным, в тысячи раз чувствительнее. Фактически преодолен некий предел измерения угла наклона. С его помощью самые слабые движения Земли, связанные с поверхностными сейсмическими волнами, становятся легко наблюдаемыми», – поясняют физики.
По их словам, идея инклинометра «просто лежала на поверхности». Но от идеи до воплощения прошло почти 20 лет. Это проект родился в ходе работы физиков над созданием сверхпроводящего суперколлайдера в США, а затем в рамках проекта Большого адронного коллайдера в ЦЕРН. Практические работы по инклинометру физики начали в 2008 году, а сейчас они тестируют третий прототип устройства.
Российские ученые доказали, что Гольфстрим не исчезнет>>
«Кардиограмма» Земли
Внешне инклинометр выглядит очень просто: на массивной металлической пластине размером 60х40 см закреплена трубка с небольшим количеством деталей.
«Нам удалось реализовать такой дизайн прибора, который автоматически исключает влияние перепадов температуры и изменения объема заключенной в нем специальной жидкости с нужной вязкостью и плотностью», – объясняют физики.
Принцип работы инклинометра следующий: лазерный луч отражается от жидкости, поверхность которой остается горизонтальной относительно поверхности Земли. Угол наклона отраженного луча лазера регистрируется. На экране компьютера данные прибора отображаются в виде графиков – сейсмограмм. Дрожащая красная линия, с нерегулярными пиками, очень похожа на электрокардиограмму.
«Эту «кардиограмму» мы видим в Дубне, между тем как «сердце» стучит в Женеве! Сейсмограмма – фактически непрерывный процесс записывания сейсмической активности Земли в виде поверхностных звуковых волн. Мы можем непрерывно руководить процессом измерения за тысячи километров через Интернет», – уточняет Михаил Ляблин.
Дело в том, что двухкоординатный инклинометр ОИЯИ сейчас находится в Европейском центре ядерных исследований (ЦЕРН) в Женеве: он установлен посередине 140-метрового тоннеля на глубине 15 метров и состоит из двух независимых инклинометров, регистрирующих угловые колебания поверхности Земли в перпендикулярных направлениях.
В ЦЕРН с приборами работает молодой дубненский физик Николай Азарян – именно он реализовал возможность «дальновидения». Инклинометр включен постоянно: в прошлом году начался непрерывный угловой сейсмический мониторинг в районе Женевы. Данные поступают в базу ЦЕРНа и через Интернет – в Дубну.
Десять мест в Москве и Подмосковье, где нескучно рассказывают о науке>>
Таким образом, на компьютерах в ЦЕРН и в ОИЯИ четыре окна монитора показывают графики движения земной поверхности. На основе данных прибора ученые уже сделали немало интересных открытий.
«Сигналы о произошедших крупных землетрясениях мы наблюдаем в виде пиков – прибор фиксирует колебания земной поверхности на расстоянии в тысячи километров. Мы видим так называемые микросейсмические колебания на суше, которые возникли от вибраций океана по глубине. Мы сделали Фурье-анализ, который показывает, какой вид колебаний и какая амплитуда регистрируется на той или иной частоте. Таким образом определяются разные источники колебаний», - рассказывает Ляблин.
Важность Фурье-анализа, по словам ученых, в том, что он позволяет зафиксировать сейсмическую деятельность человека.
«Мы обнаружили очень узкий пик, который соответствовал периоду колебаний 11,001 секундам. Параметры пика однозначно соответствуют человеческой деятельности. Стали выяснять. Оказалось, что примерно в 300 километрах от места установки прибора – в Альпах, на границе Швейцарии и Италии, бурят тоннель. Его ширина примерно 10 метров и частота вращения проходческого щита соответствует 11 секундам. Исключительно высокая чувствительность прибора позволила издалека зафиксировать такое явление», – отмечает ученый.
При этом ученые подчеркивают, что предсказать землетрясение невозможно, поскольку это зависит и от процессов в океане, и от солнечной активности.
Ученый-генетик из МФТИ: как «читать» гены и исправить «поломку» в организме>>
Новое направление в науке
Спектр применения лазерного прецизионного инклинометра невероятно широк. Для ученых это, прежде всего, открытие новой научной отрасли.
«Это – старая добрая классическая физика. Но без этой физики, кварки, глюоны и бозон Хиггса обнаружить было бы трудно. Открытие наших физиков – огромный шаг в инструментальной точности, фактически они открыли новое направление в науке – нанометрологию макроскопических систем», – говорит директор ЛЯП ОИЯИ Вадим Бедняков.
С помощью прибора дубненских физиков намечается подход к решению одной из проблем формирования пучков в Большом адронном коллайдере.
«Из-за колебаний земной поверхности двигающиеся навстречу пучки частиц не всегда сталкиваются «лоб в лоб», иногда проскакивают мимо друг друга или лишь частично перекрываются. С помощью нашего прибора, как мы думаем, можно стабилизировать пространственное положение фокусов этих пучков. То есть повысить светимость коллайдера – интенсивность соударения пучков. Если получится удачное инструментальное решение, то это будет солидный выигрыш во времени экспериментов и скорости набора научной информации», - объясняет профессор Будагов.
Недавно между ОИЯИ и ЦЕРН подписано соглашение о сотрудничестве по метрологическому обеспечению спектрометрического комплекса АTLAS.
Молодые ученые Подмосковья: об открытиях в науке и жизни. ФОТО>>
Точка G
Сейчас в научной среде обсуждается решение очень интересной задачи: определение с большой точностью гравитационной постоянной G в формуле Ньютона. Многие группы ученых пытаются это сделать в своих экспериментах, но данные не совпадают. По мнению дубненских физиков, причина кроется в нефиксированном угловом наклоне той платформы, на которой проводятся измерения.
«Эксперименты фактически проводятся в разных условиях, и чтобы добиться одинаковых условий, нужен наш прибор. Он может помочь стабилизировать платформу, на которой проводятся эксперименты, и, по всей видимости, позволит решить задачи совмещения данных», – считает Ляблин.
Важность точного измерения этой константы или, как ее часто называют физики – «большой G» – перспективна значительной экономии топлива при далеких космических полетах.
«Например, при подлете к Марсу космический корабль до сих пор не может точно скорректировать свое движение, и причина этого – в незнании точного значения большой G. Если бы мы ее знали, корабли смогли подлетать с большей точностью, в этом заключается значительная экономия топлива», – уточняет Михаил Ляблин.
Ведущий онколог Подмосковья: О новейших методах лечения рака>>
Прибор может применяться также для стабилизации положения телескопов большого диаметра.
«Сейчас на вершине вулкана Мауна-Кеа (о. Гавайи) начали строить телескоп с диаметром 30 метров. Микросейсмические угловые колебания почвы портят изображение. Наш прибор может помочь сделать изображение, не искаженное колебаниями поверхности Земли», – полагает физик.
Ученые считают, что лазерный инклинометр при запуске в промышленное производство будет востребован во многих отраслях для сверхточных измерений. Например, в геодезии – для угловой долговременной трассировки длинных тоннелей. Прибор может стать незаменимым охранником, к примеру, в банках или музеях, так как реагирует на малейшие колебания пола: жулик не проскочит – на мониторах охраны шаги отразятся пиками в графиках.
Пока же ученые не спешат с «рекламой» своего прибора, для них главное – продолжить исследования.
Лазерный центр в Шатуре: высокие технологии для спасения жизни. ФОТО>>
Елена Лазарева